CN116827732A - 基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统 - Google Patents
基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统，方法包括：发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；对光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据实数电信号得到接收信号；通过神经网络对接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；将输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。本发明不仅实现了对接收信号进行色散与非线性补偿且复杂度较低。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及的是一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统。
背景技术
随着视频流媒体、云计算、虚拟现实等需要大量带宽的网络服务的不断普及，高速数据中心互连和接入网的发展近年来备受关注。为了支持短距离通信场景的更高吞吐量需求，具有低成本、高能效和面积小等优点的强度调制和直接检测(IM/DD)方案得到广泛应用。
然而，工作在C波段的低成本高速双边带IM/DD传输系统的传输容量和距离受到光纤色度色散及收发机各组件引起的非线性限制，导致接收到的信号遭受严重的频率选择性功率衰落和非线性损伤，从而限制了系统的传输容量和带宽。现有的色散及非线性补偿技术中，基于Volterra级数的判决反馈非线性均衡器以及基于神经网络的非线性均衡器可以有效补偿系统的色散及非线性损伤。但是，与具有与抽头数等数值的复杂度(所需实数乘法数)的线性均衡器相比，基于Volterra级数的判决反馈非线性均衡器与基于神经网络的非线性均衡器所需的复杂度(实数乘法数)的数值远高于抽头权重，而极高的均衡复杂度需要大量的乘法器执行数字信号处理，增加系统的功耗及成本。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统，以解决现有IM/DD传输系统色散及非线性补偿方案中非线性均衡器所需的复杂度较高所导致的系统的功耗及成本增加的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其包括：
发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；
所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；
对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号；
通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；其中，所述神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；
将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
本发明的进一步设置，所述输入层的神经元包括接收信号x(n)、x(n－1)…x(n－N2+1)…x(n－N2)…x(n－N1+1)，以及硬判决信号 其中，神经元的数量为D1+N1，D1与D2表示硬判决信号的记忆长度，N1与N2表示输入信号的记忆长度；
所述隐藏层采用线性激活函数与平方激活函数；
所述输出层采用线性激活函数。
本发明的进一步设置，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤包括：
根据输入信号、硬判决信号以及神经网络的抽头权重与偏置计算得到所述输出信号；
其中，所述神经网络的抽头权重包括连接输入层与隐藏层的抽头权重以及连接隐藏层与输出层的抽头权重。
本发明的进一步设置，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤前包括：
获取已知的训练序列信号并采用反向传播算法训练得到所述神经网络的抽头权重与偏置。
本发明的进一步设置，所述发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号的步骤包括：
将伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；
将所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波成型处理。
本发明的进一步设置，所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号的步骤包括：
产生光载波并输出至调制器，其中，所述调制器工作在正交点；
将所述实数脉冲信号进行数模转换以得到实数脉冲幅度调制电信号；
将所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理并作用于所述调制器进行电光调制以得到光信号。
本发明的进一步设置，对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号的步骤包括：
将所述光信号经单模光纤输出并进行光功率调节；
对光信号进行探测以得到实数电信号；
对所述实数电信号进行模数转换以及重采样与同步处理后得到接收信号。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种用于实现上述所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法的系统，其包括：发射机、任意波形发生器、电放大器、激光器、调制器、单模光纤、可调光衰减器、光电探测器、示波器与接收机；其中，
所述发射机与所述任意波形发生器连接，用于根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；
所述任意波形发生器分别与所述发射机以及所述电放大器连接，用于将所述实数脉冲幅度调制信号转换为实数脉冲幅度调制电信号并输出至所述电放大器；
所述电放大器与所述调制器连接，用于所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理后输出至所述调制器；
所述激光器与所述调制器连接，用于产生光载波并输出至所述调制器；
所述调制器与所述单模光纤连接，用于根据所述实数脉冲幅度调制电信号对所述光载波进行调制后输出光信号至所述单模光纤；
所述可调光衰减器分别与所述单模光纤以及所述光电探测器连接，用于对所述光信号的功率进行调节；
所述光电探测器与所述示波器连接，用于对所述光信号进行探测并输出实数电信号至所述示波器；
所述示波器与所述接收机连接，用于采集所述实数电信号并输出至所述接收机；
所述接收机用于根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号，并将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
本发明的进一步设置，所述发射机包括：伪随机序列生成单元、映射单元与升余弦滤波器；其中，
所述伪随机序列生成单元与所述映射单元连接，用于产生伪随机序列并输出至所述映射单元；
所述映射单元与所述升余弦滤波器连接，用于将所述伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；
所述升余弦滤波器用于对所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波处理。
本发明的进一步设置，所述接收机包括：模数转换单元、重采样与同步处理单元、非线性判决反馈均衡单元、符号判决单元、解映射单元与误码率计算单元；其中，
所述模数转换单元与所述示波器连接，用于对所述实数电信号进行模数转换；
所述重采样与同步处理单元与所述模数转换单元连接，用于对模数转换后的实数电信号进行重采样与同步处理以得到接收信号；
所述非线性判决反馈均衡单元与所述重采样与同步处理单元连接，用于通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；
所述符号判决单元与所述非线性判决反馈均衡单元连接，用于对所述输出信号进行符号判决；
所述解映射单元与所述符号判决单元连接，用于对所述输出信号进行解映射处理以得到解码后的比特序列；
所述误码率计算单元与所述解映射单元连接，用于对所述解码后的比特序列进行误码率计算。
本发明所提供的一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统，方法包括：发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号；通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；其中，所述神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。本发明在直调直检的光纤通信系统中采用基于神经网络的非线性均衡判决器对接收信号进行色散与非线性补偿，因神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的三层非全连接结构，且包括了二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项，不仅能够对接收信号进行色散与非线性补偿且复杂度较低，能够在提高直调直检光纤通信系统的传输容量与带宽的同时降低功耗与成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明中基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法的流程图。
图2是本发明中神经网络的结构示意图。
图3是本发明中基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信系统的原理图。
附图中各标记：1、发射机；11、伪随机序列生成单元；12、映射单元；13、升余弦滤波器；2、任意波形发生器；3、电放大器；4、激光器；5、调制器；6、单模光纤；7、可调光衰减器；8、光电探测器；9、示波器；10、接收机；101、模数转换单元；102、重采样与同步处理单元；103、非线性判决反馈均衡单元；104、符号判决单元；105、解映射单元；106、误码率计算单元。
具体实施方式
本发明提供一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请同时参阅图1至图2，本发明提供了一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供的一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其包括步骤：
S100、发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；
S200、所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；
S300、对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号；
S400、通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；其中，所述神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；
S500、将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
在上述技术手段中，光载波由激光器产生，光载波输入至所述调制器，其中所述调制器可以是马赫－曾德尔调制器。发射机(发送端)首先将伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号，再经模数转换为实数脉冲幅度调制电信号，所述实数脉冲幅度调制电信号作用于所述调制器上以进行电光调制并产生光信号，所述光信号经光纤传输并经过光电探测器进行采集以得到实数电信号，其后通过示波器采集所述实数电信号反馈至接收机，接收机接收所述实数电信号并进行处理后得到接收信号，其后通过神经网络对所述接收信号进行色散与非线性补偿以得到均衡后的输出信号，最后将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列，并进行误码率计算以对数据传输的精准度进行计算。
因所述神经网络为具有输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，复杂度较低，因而需要的乘法器较少，可以降低直调直检光纤传输系统的功耗与成本，且所述神经网络包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项，能够对接收信号进行色散与非线性补偿，具有较好的均衡效果。
在一些实施例中，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤包括子步骤：
S410、根据输入信号、硬判决信号以及神经网络的抽头权重与偏置计算得到所述输出信号。其中，所述神经网络的抽头权重包括连接输入层与隐藏层的抽头权重以及连接隐藏层与输出层的抽头权重。
在本实施例中，请结合图2，所述神经网络包括输入层、隐藏层与输出层。其中，所述输入层的神经元包括接收信号x(n)、x(n－1)…x(n－N2+1)…x(n－N2)…x(n－N1+1)，以及硬判决信号 其中，神经元的数量为D1+N1，D1与D2表示硬判决信号的记忆长度，N1与N2表示输入信号的记忆长度，其中N2≤N1且D2≤D1。所述隐藏层的神经元的数量为4，所述隐藏层采用线性激活函数与平方激活函数。所述输出层的神经元的数量为1，所述输出层采用线性激活函数。
所述神经网络对接收信号x(n)进行色散以及非线性补充后得到的均衡后的输出信号y(n)可以用以下公式表示：
其中，其中表示过去时间的输出信号y(n-k)的硬判决信号，x(n－k)表示接收信号的不同延时信号，h1(k)、h2(k)、h3(k)、h4(k)为连接输入层和隐藏层的抽头权重，h1′、h2′、h3′、h4′为连接隐藏层和输出层的抽头权重，b1、b2、b3、b4、b5为偏置，Z－1表示单符号延时单元。因所述隐藏层的激活函数采用的是线性激活函数(X)平方激活函数(X2)，输出层的激活函数采用的则是线性激活函数(X)，使得平方展开后的基于神经网络的非线性判决均衡器包括所有二阶Volterra判决反馈线性均衡器的非线性信号项，即具有非线性信号项x(n-k1)x(n-k2)与/>从所述输出信号y(n)的表达式可以得到，基于神经网络的非线性判决反馈均衡方法均衡每符号所需的实数乘法数为N1+N2+D1+D2+6，仅比总抽头权重数数值多6个实数乘法，能够极大降低色散及非线性均衡所需的复杂度，从而可以降低IM/DD光纤系统的功耗与成本。
在一些实施例中，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤前包括步骤：
S401、获取已知的训练序列信号并采用反向传播算法训练得到所述神经网络的抽头权重与偏置。
具体地，所述神经网络连接输入层与隐藏层的抽头权重、连接隐藏层与输出层的抽头权重以及偏置在发射机发送数据信号之前通过添加已知的训练序列信号并采用优化算法进行训练得到，在一些实现方式中，所述优化算法可以是但不限于是反向传播算法。
在一些实施例中，所述发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号的步骤包括子步骤：
S110、将伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；
S120、将所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波成型处理。
具体地，在发射机端，首先将伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号后，再经过升余弦滤波器进行滤波成型，以得到脉冲成型后的实数脉冲幅度调制信号。
在一些实施例中，所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号的步骤包括子步骤：
S210、产生光载波并输出至调制器，其中，所述调制器工作在正交点；
S220、将所述实数脉冲信号进行数模转换以得到实数脉冲幅度调制电信号；
S230、将所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理并作用于所述调制器进行电光调制以得到光信号。
具体地，激光器产生的光载波输入至调制器内，发射机输出的实数脉冲幅度调制信号加载至任意波形发生器进行数模转换以产生实数脉冲幅度调制电信号，其后对所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理后用于调制器进行电光调制，以产生光信号。
在一些实施例中，对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号的步骤包括子步骤：
S310、将所述光信号经单模光纤输出并进行光功率调节；
S320、对光信号进行探测以得到实数电信号；
S330、对所述实数电信号进行模数转换以及重采样与同步处理后得到接收信号。
具体地，光信号经调制器输出后，通过单模光纤输出至可调光衰减器对光信号的光功率进行调节，其后由光电探测器直接进行探测，并将探测后得到的实数电信号输入至示波器，通过示波器进行采集后反馈至接收机，接收机端对实数电信号进行模数转换、重采样与同步处理后得到接收信号。
请参阅图3，在一些实施例中，本发明还提供了一种用于实现上述所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法的系统，其包括：发射机1、任意波形发生器2、电放大器3、激光器4、调制器5、单模光纤6、可调光衰减器7、光电探测器8、示波器9与接收机10。其中，所述发射机1与所述任意波形发生器2连接，用于根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；所述任意波形发生器2分别与所述发射机1以及所述电放大器3连接，用于将所述实数脉冲幅度调制信号转换为实数脉冲幅度调制电信号并输出至所述电放大器3；所述电放大器3与所述调制器5连接，用于所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理后输出至所述调制器5；所述激光器4与所述调制器5连接，用于产生光载波并输出至所述调制器5；所述调制器5与所述单模光纤6连接，用于根据所述实数脉冲幅度调制电信号对所述光载波进行调制后输出光信号至所述单模光纤6；所述可调光衰减器7分别与所述单模光纤6以及所述光电探测器8连接，用于对所述光信号的功率进行调节；所述光电探测器8与所述示波器9连接，用于对所述光信号进行探测并输出实数电信号至所述示波器9；所述示波器9与所述接收机10连接，用于采集所述实数电信号并输出至所述接收机10；所述接收机10用于根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号，并将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
具体地，所述发射机1作为信号发射端，所述接收机10作为信号接收端，所述激光器4为外腔激光器，所述调制器5为马赫－曾德尔调制器。所述发射机1根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号加载在所述任意波形发生器2上，将所述实数脉冲幅度调制信号转换为实数脉冲幅度调制电信号并输出至所述电放大器3，所述电放大器3所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理后输出至所述调制器5，以在所述调制器5内将所述光载波进行调制后输出光信号至所述单模光纤6。所述光信号经所述单模光纤6传输至所述可调光衰减器7对所述光信号的功率进行调节，其后所述光信号由所述光电探测器8进行探测得到实数电信号，所述实数电信号经所述示波器9采集后反馈至所述接收机10。所述接收机10在接收所述实数电信号后得到接收信号，其后通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号，并将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
因所述神经网络为具有输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，复杂度较低，因而需要的乘法器较少，可以降低直调直检光纤传输系统的功耗与成本，且所述神经网络包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项，能够对接收信号进行色散与非线性补偿，具有较好的均衡效果。
请继续参阅图3，在一些实施例中，所述发射机1包括：伪随机序列生成单元11、映射单元12与升余弦滤波器13。其中，所述伪随机序列生成单元11与所述映射单元12连接，用于产生伪随机序列并输出至所述映射单元12；所述映射单元12与所述升余弦滤波器13连接，用于将所述伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；所述升余弦滤波器13用于对所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波处理。
具体地，所述发射机1作为信号发射端，具有伪随机序列生成单元11、映射单元12与升余弦滤波器13，所述伪随机序列并输出至所述映射单元12，所述映射单元12将所述伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号并输入至所述升余弦滤波器13，所述升余弦滤波器13对所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波处理后以使得所述实数脉冲幅度调制信号成型，其后将成型后的所述实数脉冲幅度调制信号输入至所述任意波形发生器2进行数模转换以产生实数脉冲幅度调制电信号。
请继续参阅图3，在一些实施例中，所述接收机10包括：模数转换单元101、重采样与同步处理单元102、非线性判决反馈均衡单元103、符号判决单元104、解映射单元105与误码率计算单元106。其中，所述模数转换单元101与所述示波器9连接，用于对所述实数电信号进行模数转换；所述重采样与同步处理单元102与所述模数转换单元101连接，用于对模数转换后的实数电信号进行重采样与同步处理以得到接收信号；所述非线性判决反馈均衡单元103与所述重采样与同步处理单元102连接，用于通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；所述符号判决单元104与所述非线性判决反馈均衡单元103连接，用于对所述输出信号进行符号判决；所述解映射单元105与所述符号判决单元104连接，用于对所述输出信号进行解映射处理以得到解码后的比特序列；所述误码率计算单元106与所述解映射单元105连接，用于对所述解码后的比特序列进行误码率计算。
具体地，在接收到所述实数电信号后，首先通过所述模数转换单元101对所述实数电信号进行模数转换，其后通过所述重采样与同步处理单元102对模数转换后的实数电信号进行重采样与同步处理以得到接收信号。在得到接收信号后，所述非线性判决反馈均衡单元103通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号，其后通过所述符号判决单元104对输出信号进行符号判决，并经所述解映射单元105对所述输出信号进行解映射后得到解码后的比特序列，最后再通过所述误码率计算单元106对解码后的比特序列进行误码率计算，以得到数据传输的精准度。
综上所述，本发明所提供的一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统，方法包括：发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号；通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；其中，所述神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。本发明在直调直检的光纤通信系统中采用基于神经网络的非线性均衡判决器对接收信号进行色散与非线性补偿，因神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的三层非全连接结构，且包括了二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项，不仅能够对接收信号进行色散与非线性补偿且复杂度较低，能够在提高直调直检光纤通信系统的传输容量与带宽的同时降低功耗与成本。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，包括：
发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；
所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号；
对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号；
通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；其中，所述神经网络为包括输入层、隐藏层与输出层的非全连接结构，并包括二阶Volterra级数判决反馈非线性均衡器的所有非线性项；
将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
2.根据权利要求1所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，所述输入层的神经元包括接收信号x(n)、x(n－1)…x(n－N2+1)…x(n－N2)…x(n－N1+1)，以及硬判决信号 其中，神经元的数量为D1+N1，D1与D2表示硬判决信号的记忆长度，N1与N2表示输入信号的记忆长度；
所述隐藏层采用线性激活函数与平方激活函数；
所述输出层采用线性激活函数。
3.根据权利要求2所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤包括：
根据输入信号、硬判决信号以及神经网络的抽头权重与偏置计算得到所述输出信号；
其中，所述神经网络的抽头权重包括连接输入层与隐藏层的抽头权重以及连接隐藏层与输出层的抽头权重。
4.根据权利要求3所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，所述接收机根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号的步骤前包括：
获取已知的训练序列信号并采用反向传播算法训练得到所述神经网络的抽头权重与偏置。
5.根据权利要求1所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，所述发射机根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号的步骤包括：
将伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；
将所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波成型处理。
6.根据权利要求1所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，所述实数脉冲幅度调制信号经转换为实数脉冲幅度调制电信号后对调制器的光载波进行调制以得到光信号的步骤包括：
产生光载波并输出至调制器，其中，所述调制器工作在正交点；
将所述实数脉冲信号进行数模转换以得到实数脉冲幅度调制电信号；
将所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理并作用于所述调制器进行电光调制以得到光信号。
7.根据权利要求1所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法，其特征在于，对所述光信号进行探测后得到实数电信号并反馈至接收机，接收机根据所述实数电信号得到接收信号的步骤包括：
将所述光信号经单模光纤输出并进行光功率调节；
对光信号进行探测以得到实数电信号；
对所述实数电信号进行模数转换以及重采样与同步处理后得到接收信号。
8.一种用于实现权利要求1－7任一项所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法的系统，其特征在于，包括：发射机、任意波形发生器、电放大器、激光器、调制器、单模光纤、可调光衰减器、光电探测器、示波器与接收机；其中，
所述发射机与所述任意波形发生器连接，用于根据伪随机序列产生实数脉冲幅度调制信号；
所述任意波形发生器分别与所述发射机以及所述电放大器连接，用于将所述实数脉冲幅度调制信号转换为实数脉冲幅度调制电信号并输出至所述电放大器；
所述电放大器与所述调制器连接，用于所述实数脉冲幅度调制电信号进行放大处理后输出至所述调制器；
所述激光器与所述调制器连接，用于产生光载波并输出至所述调制器；
所述调制器与所述单模光纤连接，用于根据所述实数脉冲幅度调制电信号对所述光载波进行调制后输出光信号至所述单模光纤；
所述可调光衰减器分别与所述单模光纤以及所述光电探测器连接，用于对所述光信号的功率进行调节；
所述光电探测器与所述示波器连接，用于对所述光信号进行探测并输出实数电信号至所述示波器；
所述示波器与所述接收机连接，用于采集所述实数电信号并输出至所述接收机；
所述接收机用于根据所述实数电信号得到接收信号，并通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号，并将所述输出信号进行符号判决与解映射后得到解码后的比特序列。
9.根据权利要求8所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信系统，其特征在于，所述发射机包括：伪随机序列生成单元、映射单元与升余弦滤波器；其中，
所述伪随机序列生成单元与所述映射单元连接，用于产生伪随机序列并输出至所述映射单元；
所述映射单元与所述升余弦滤波器连接，用于将所述伪随机序列映射为实数脉冲幅度调制信号；
所述升余弦滤波器用于对所述实数脉冲幅度调制信号进行滤波处理。
10.根据权利要求8所述的基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信系统，其特征在于，所述接收机包括：模数转换单元、重采样与同步处理单元、非线性判决反馈均衡单元、符号判决单元、解映射单元与误码率计算单元；其中，
所述模数转换单元与所述示波器连接，用于对所述实数电信号进行模数转换；
所述重采样与同步处理单元与所述模数转换单元连接，用于对模数转换后的实数电信号进行重采样与同步处理以得到接收信号；
所述非线性判决反馈均衡单元与所述重采样与同步处理单元连接，用于通过神经网络对所述接收信号进行色散以及非线性补偿以得到均衡后的输出信号；
所述符号判决单元与所述非线性判决反馈均衡单元连接，用于对所述输出信号进行符号判决；
所述解映射单元与所述符号判决单元连接，用于对所述输出信号进行解映射处理以得到解码后的比特序列；
所述误码率计算单元与所述解映射单元连接，用于对所述解码后的比特序列进行误码率计算。
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|---|---|---|---|
| CN202310758007.9A CN116827732A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 基于神经网络非线性判决反馈均衡的光纤通信方法及系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117675009A (zh) * | 2023-11-01 | 2024-03-08 | 西南交通大学 | 一种基于储备池计算的色散补偿方法 |
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2023
- 2023-06-25 CN CN202310758007.9A patent/CN116827732A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117675009A (zh) * | 2023-11-01 | 2024-03-08 | 西南交通大学 | 一种基于储备池计算的色散补偿方法 |
| CN117675009B (zh) * | 2023-11-01 | 2024-06-11 | 西南交通大学 | 一种基于储备池计算的色散补偿方法 |
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